JPH0681127U - Differential amplifier circuit - Google Patents

Differential amplifier circuit

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JPH0681127U
JPH0681127U JP2442393U JP2442393U JPH0681127U JP H0681127 U JPH0681127 U JP H0681127U JP 2442393 U JP2442393 U JP 2442393U JP 2442393 U JP2442393 U JP 2442393U JP H0681127 U JPH0681127 U JP H0681127U
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JP2442393U
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Japanese (ja)
Inventor
徹 小沼
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日立電子株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波における同相利得を増大させずに動作
点や温度補償等の直流特性のばらつきを最も抑制できる
ような構成となるIC化に適した差動増幅回路を提供す
ること。 【構成】 差動増幅回路の差動トランジスタ対のバイア
ス電流を決める定電流源をカスコード接続をした2つの
トランジスタによって構成し、差動トランジスタ対と接
続する定電流源側のトランジスタを第1のトランジス
タ、カスコード接続をしたもう一方のトランジスタを第
2のトランジスタとすると、第1のトランジスタよりも
第2のトランジスタの方が等価的なコレクタ−基板間容
量もしくはエミッタ領域の面積が大きくなるような構成
とする。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide a differential amplifier circuit suitable for use in an IC, which is configured to most suppress variations in DC characteristics such as operating point and temperature compensation without increasing common-mode gain at high frequencies. thing. [Structure] A constant current source that determines a bias current of a differential transistor pair of a differential amplifier circuit is composed of two transistors in cascode connection, and a transistor on the constant current source side connected to the differential transistor pair is a first transistor. If the other cascode-connected transistor is the second transistor, the second transistor has a larger equivalent collector-substrate capacitance or the area of the emitter region than that of the first transistor. To do.

Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the device]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本考案は差動増幅回路一般に係り、特にIC用回路に関するものである。 The present invention relates generally to a differential amplifier circuit, and more particularly to an IC circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

一般に、差動対を構成する2つのトランジスタの特性は揃っていることが必要 である。IC化するとこのようなことは容易に実現できるため、差動対を用いる 回路はIC化に適した回路であるとされている。 差動対を用いた差動増幅回路として図2に示した回路が一般に知られている。 (例えば「Analysis and Design of Analog Integrated Circuits」 Gray Meyer; John Wiley & sons(1983)の図8,43等に類似の回路が示されている)。 図2に示した回路では、入力端子1,2に加えられた入力信号電圧Viをトラ ンジスタQ1,Q2と抵抗Reより成る差動回路によって信号電流に変換し、負 荷抵抗RLにより出力電圧VOを得ている。 差動増幅回路のバイアス電流は、トランジスタQ3,Q4、抵抗REE,RB1, RB2によって成る一般的なミラ−回路により決まっている。 ダイオード接続にしたトランジスタQ4と抵抗RB1,RB2により、電流値Iref が決まり、IC化した場合トランジスタQ3とQ4の特性および各抵抗の比は揃 うので、REE=RB2とすればそのバイアス電流IC3はIrefとほぼ等しくなる。In general, the characteristics of the two transistors that form the differential pair must be the same. Since such a thing can be easily realized when integrated into an IC, a circuit using a differential pair is said to be a circuit suitable for integrated circuit. The circuit shown in FIG. 2 is generally known as a differential amplifier circuit using a differential pair. (For example, similar circuits are shown in FIGS. 8 and 43 of “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits” Gray Meyer; John Wiley & sons (1983)). In the circuit shown in FIG. 2, the input signal voltage V i applied to the input terminals 1 and 2 is converted into a signal current by the differential circuit including the transistors Q1 and Q2 and the resistor Re, and output by the load resistor R L. The voltage V O is obtained. The bias current of the differential amplifier circuit is determined by a general mirror circuit composed of transistors Q3 and Q4 and resistors R EE , R B1 and R B2 . The current value I ref is determined by the diode-connected transistor Q4 and the resistors R B1 and R B2 . When integrated into an IC, the characteristics of the transistors Q3 and Q4 and the ratio of the resistors are the same, so if R EE = R B2 The bias current I C3 becomes substantially equal to I ref .

【0003】[0003]

【考案が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the device]

この差動増幅回路の重要な特性の一つに同相利得Acmがあり、(1)式のよう に表わされ、小さい程良いとされている。 Acm ≒ −RL(1+jωroE)/2ro ………………(1) ここで、roは電流源の出力抵抗であり、図2ではトランジスタQ3の出力抵抗 ro3に等しい。CEは寄生容量であり、主にトランジスタQ3のコレクタ・基板 間容量である。ωは2πfであり、fは周波数、jは複素数である。 (1)式から直流的にはroが大きい程、交流的にはCEが小さい程良いことがわ かる。図3には同相利得の周波数特性を示す。f=1/(2πroE)を境にし てオクターブ当り6dBで利得が増加し、さらに非常に高い周波数になると再び その他の容量の影響で利得は減少する。One of the important characteristics of this differential amplifier circuit is the common-mode gain Acm, which is expressed by equation (1), and the smaller the better, the better. Acm≈− RL (1 + jωr o CE ) / 2r o (1) where r o is the output resistance of the current source and is equal to the output resistance r o3 of the transistor Q3 in FIG. CE is a parasitic capacitance, which is mainly a collector-substrate capacitance of the transistor Q3. ω is 2πf, f is a frequency, and j is a complex number. From equation (1), it can be seen that the larger r o is for DC, and the smaller C E is for AC, the better. FIG. 3 shows frequency characteristics of in-phase gain. The gain increases at 6 dB per octave with f = 1 / (2πr o C E ) as a boundary, and when the frequency becomes very high, the gain decreases again due to the influence of other capacitance.

【0004】 ところで、IC回路においては各回路のバイアス電流の比が重要になることが 多い。これは、IC化した場合、抵抗の絶対値が±20%もばらつく一方、抵抗 の相対値およびトランジスタの特性を良く揃えることができるようになるためで ある。IC用回路ではこのような性質を使って利得、動作点、温度補償のばらつ きを抑制する。図2においてIC3をIrefの例えば3倍にしたい場合は、抵抗比 やトランジスタ特性をそろえるために、REEをRB2と同じ抵抗、トランジスタQ 3をQ4と同じトランジスタとし、それぞれ3個を並列に接続して構成すること になる。Q3において単位トランジスタ1個当たりのコレクタ電流を揃えること は、ベース・エミッタ間電圧VBEを揃えてREEとRB2の比をとりやすくすること の他に、VBEの温度補償の点からも必要である。 しかしこのように他の回路とのバイアス電流の比をとり、動作点のばらつきや その温度補償を考慮したICの構成にするとCEが約3倍になり、(1)式や図3 からわかるように高周波における同相利得が増大してしまう。 本考案の目的は高周波における同相利得を増大させずに、直流特性のばらつき を最も抑制できるような構成となるIC化に適した差動増幅回路を提供すること にある。By the way, in an IC circuit, a bias current ratio of each circuit is often important. This is because, when integrated into an IC, the absolute value of the resistance varies by ± 20%, while the relative value of the resistance and the characteristics of the transistor can be well matched. IC circuits use this property to suppress variations in gain, operating point, and temperature compensation. In FIG. 2, if I C3 is desired to be, for example, three times I ref , R EE is the same resistance as R B2 and transistor Q 3 is the same transistor as Q 4 in order to make the resistance ratio and the transistor characteristics uniform. It will be configured by connecting them in parallel. Aligning the collector currents per unit transistor in Q3 not only makes it easy to obtain the ratio of R EE and R B2 by aligning the base-emitter voltage V BE , but also from the point of temperature compensation of V BE. is necessary. However, if the ratio of the bias currents to other circuits is taken in this way and an IC configuration that takes into account variations in operating points and its temperature compensation is taken into account, C E becomes approximately three times, which can be seen from equation (1) and FIG. Thus, the in-phase gain at high frequencies increases. An object of the present invention is to provide a differential amplifier circuit suitable for use in an IC, which has a configuration in which variations in DC characteristics can be suppressed most without increasing common-mode gain at high frequencies.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

本考案は上記の目的を達成するため、カスコード接続をした2つのトランジス タによって定電流源を構成し、差動対と接続する定電流源側のトランジスタを第 1のトランジスタ、カスコード接続をしたもう一方のトランジスタを第2のトラ ンジスタとすると、第1のトランジスタよりも第2のトランジスタの方が等価的 なコレクタ・基板間容量もしくはエミッタ領域の面積が大きくなるようにしたも のである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention forms a constant current source with two transistors connected in cascode, and the transistor on the constant current source side connected to the differential pair is connected to the first transistor in cascode connection. When one transistor is the second transistor, the equivalent collector-substrate capacitance or the area of the emitter region of the second transistor is larger than that of the first transistor.

【0006】[0006]

【作用】[Action]

その結果、第2のトランジスタのコレクタ・基板間容量は、同相利得の周波数 特性に影響を与えないため、他の回路とのバイアス電流の比のばらつきが少なく なるように第2のトランジスタを構成することが可能となる。 As a result, the collector-substrate capacitance of the second transistor does not affect the frequency characteristics of the common-mode gain, and thus the second transistor is configured so that the variation in the bias current ratio with other circuits is reduced. It becomes possible.

【0007】[0007]

【実施例】【Example】

以下、一実施例を用いて本考案を説明する。 図1は本考案の差動増幅回路を示した回路図である。 トランジスタQ1とQ2によって差動対を構成し、入力端子1と2の間に印加さ れた入力電圧Viは信号電流に変換され、それが負荷抵抗RLによって電圧に変換 され、出力Vbを得るようになっている。この差動対のバイアス電流は、トラン ジスタQB,Q3,Q4、抵抗REE,RB1,RB2によって成るミラー回路により 決まっている。トランジスタQB,Q3をカスコード接続にしている定電流源の 電流は、トランジスタQ3のベース電圧と抵抗REEによって決まり、各々のトラ ンジスタが飽和領域で動作することがない限り、トランジスタQBのベース電圧 VBに依存しない。 IC化した場合、各々のトランジスタの特性および抵抗の相対値を揃えること ができるようになる。特にチップ上に近接して配置したトランジスタは、差動対 のペア・トランジスタとして最適である。IC用回路ではこの性質を利用してバ イアス電流の比を確保し、利得、動作点、温度補償等のばらつきを抑制できるよ うな構成としている。図1の定電流源の電流値をトランジスタQ4のコレクタ電 流の2倍にしたい時は、トランジスタQ3を2個並列接続することによって構成 し、抵抗REEはRB2と同じ抵抗を2個並列に接続したものとするのが特性ばらつ きの最も少ない方法である。The present invention will be described below with reference to an embodiment. FIG. 1 is a circuit diagram showing a differential amplifier circuit of the present invention. A differential pair is formed by the transistors Q1 and Q2, and the input voltage V i applied between the input terminals 1 and 2 is converted into a signal current, which is converted into a voltage by the load resistor R L and the output V b. To get. The bias current of this differential pair is determined by a mirror circuit composed of transistors QB, Q3, Q4 and resistors R EE , R B1 , R B2 . The current of the constant current source that connects the transistors QB and Q3 in a cascode connection is determined by the base voltage of the transistor Q3 and the resistor R EE . Unless each transistor operates in the saturation region, the base voltage of the transistor QB V Do not depend on B. When integrated into an IC, the characteristics of each transistor and the relative values of resistance can be made uniform. Transistors placed close to each other on the chip are particularly suitable as a pair transistor of a differential pair. IC circuits use this property to secure a bias current ratio and suppress variations in gain, operating point, temperature compensation, etc. When it is desired to make the current value of the constant current source in Fig. 1 twice the collector current of the transistor Q4, it is configured by connecting two transistors Q3 in parallel, and the resistor R EE has the same two resistors as R B2 in parallel. The method with the least variation in characteristics is the one that is connected to.

【0008】 このようにすると、トランジスタQ3のコレクタ・基板間容量が増大するが、 前述の(1)式に示した寄生容量CEは変化しない。すなわち、同相利得の高周波 側の特性は同じである。むしろバイアス電流の比を考慮する必要がないのでトラ ンジスタQBは、コレクタ・基板間容量が最も小さくなるようなトランジスタ構 成とした方が良く、図3で示したような高周波における同相利得の増大を抑制で きるようになる。 さらにカスコード接続にするため定電流源の出力抵抗roは増大する。QB, Q3が同じトランジスタであった場合の出力抵抗roは、トランジスタQBを追 加してカスコード接続になる前のトランジスタQ3の出力抵抗をro3、電流増幅 率をβとすると、(2)式のようになることが知られている。 ro = β・r03/2 ……………(2)By doing so, the collector-substrate capacitance of the transistor Q3 increases, but the parasitic capacitance C E shown in the equation (1) does not change. That is, the characteristics of the high frequency side of the common mode gain are the same. Rather, it is not necessary to consider the bias current ratio, so it is better for transistor QB to have a transistor configuration that minimizes the collector-substrate capacitance, which increases the common-mode gain at high frequencies as shown in FIG. Can be suppressed. Further, the output resistance r o of the constant current source is increased due to the cascode connection. The output resistance r o when QB and Q3 are the same transistor is (2), where r o3 is the output resistance of the transistor Q3 before adding cascode connection by adding the transistor QB and β is the current amplification factor. It is known to be like a formula. r o = β · r 03/2 ……………… (2)

【0009】 したがって、この定電流源の形にすることによって前述(1)式からわかるよう に、低周波側の同相利得は1/2・β倍改善される。βは通常100程度なので 50倍改善されることになる。 以上、本考案の実施例をNPNトランジスタ構成において説明したが、PNP トランジスタやFETを用いても本考案は構成できる。通常トランジスタのエミ ッタ面積が大きい程、同じコレクタ電流の時のベース−エミッタ間電圧は小さく なるので、エミッタ面積だけをトランジスタQBよりもQ3の方が大きくなるよ うに構成してもよい。また本考案はIC用の全ての差動増幅回路や可変利得増幅 回路の差動部分等に適用可能であることは言うまでもない。Therefore, by adopting the form of this constant current source, the in-phase gain on the low frequency side is improved by 1 / 2β as can be seen from the equation (1). Since β is usually around 100, it will be improved 50 times. Although the embodiments of the present invention have been described above in the NPN transistor configuration, the present invention can be configured by using PNP transistors or FETs. Normally, the larger the emitter area of the transistor, the smaller the base-emitter voltage at the same collector current. Therefore, only the emitter area of Q3 may be larger than that of transistor QB. Further, it goes without saying that the present invention can be applied to all differential amplifier circuits for ICs and the differential portion of variable gain amplifier circuits.

【0010】[0010]

【考案の効果】[Effect of device]

以上説明したように、従来においてはIC用トランジスタや抵抗の性質を利用 して各回路のバイアス電流の比を確保し、動作点や温度補償等の直流特性のばら つきを最も抑制できるような構成にすると、前述の(1)式に示した寄生容量CE が増大して差動増幅回路の重要な特性の一つである同相利得の周波数特性が高周 波側で悪化してしまうのに対して、本考案によれば高周波側の同相利得を悪化さ せることなく構成でき、低周波側では1/2・β倍改善される。また、図1のト ランジスタQBの選定にはバイアス電流の比を考慮する必要がないので、コレク タ・基板間容量が最も小さくなるような構成にして高周波側の同相利得を改善す ることができるようになる。As described above, conventionally, the characteristics of the IC transistors and resistors are used to secure the ratio of the bias current of each circuit, and the variation in the DC characteristics such as the operating point and the temperature compensation can be most suppressed. If so, the parasitic capacitance C E shown in the equation (1) increases, and the frequency characteristic of the common mode gain, which is one of the important characteristics of the differential amplifier circuit, deteriorates on the high frequency side. On the other hand, according to the present invention, it can be configured without deteriorating the in-phase gain on the high frequency side, and is improved by 1 / 2.β times on the low frequency side. Since it is not necessary to consider the bias current ratio when selecting the transistor QB in FIG. 1, it is possible to improve the common mode gain on the high frequency side by making the configuration such that the collector-substrate capacitance is the smallest. become able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本考案の差動増幅回路の一実施例を示す回路
図。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a differential amplifier circuit of the present invention.

【図2】従来の差動増幅回路の例を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a conventional differential amplifier circuit.

【図3】差動増幅回路の同相利得の周波数特性を示すグ
ラフ。
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of in-phase gain of the differential amplifier circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

Q1,Q2,Q3,Q4,QB トランジスタ RL,Re,REE,RB1,RB2 抵抗Q1, Q2, Q3, Q4, QB Transistors R L , R e , R EE , R B1 , R B2 resistors

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】 対を成す2つのトランジスタ(以下、差
動対という)と、定電流源を構成するトランジスタのコ
レクタとを相互接続し、前記差動対の各ベース間に入力
信号を印加し、該差動対の少なくとも一方のトランジス
タのコレクタから出力信号を得られるように負荷をその
コレクタに接続して成る差動増幅回路において、カスコ
ード接続をした2つのトランジスタによって前記定電流
源を構成し、前記差動対と接続する定電流源側のトラン
ジスタを第1のトランジスタ、前記カスコード接続をし
たもう一方のトランジスタを第2のトランジスタとし、
該第1のトランジスタよりも第2のトランジスタの方が
等価的なコレクタ・基板間容量もしくはエミッタ領域の
面積が大きいことを特徴とする差動増幅回路。
1. A pair of two transistors (hereinafter referred to as a differential pair) and a collector of a transistor forming a constant current source are interconnected, and an input signal is applied between each base of the differential pair. In a differential amplifier circuit in which a load is connected to the collector of at least one of the transistors of the differential pair so that an output signal can be obtained, the constant current source is configured by two cascode-connected transistors. A constant-current-source-side transistor connected to the differential pair is a first transistor, and the other cascode-connected transistor is a second transistor,
A differential amplifier circuit characterized in that the second transistor has a larger equivalent collector-substrate capacitance or the area of the emitter region than the first transistor.
【請求項2】 請求項1記載の差動増幅回路において、
前記第1のトランジスタと特性の揃ったトランジスタを
複数個並列接続して前記第2のトランジスタを構成した
ことを特徴とする差動増幅回路。
2. The differential amplifier circuit according to claim 1, wherein
A differential amplifier circuit, wherein a plurality of transistors having the same characteristics as the first transistor are connected in parallel to form the second transistor.
JP2442393U 1993-04-13 1993-04-13 Differential amplifier circuit Pending JPH0681127U (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002232239A (en) * 2001-02-01 2002-08-16 Akita Kaihatsu Center Ard:Kk Operational amplifier
JP2021082986A (en) * 2019-11-21 2021-05-27 新日本無線株式会社 Operational amplifier

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